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1、小議航空工業(yè)醫(yī)院的發(fā)展對(duì)策
小議航空工業(yè)醫(yī)院的發(fā)展對(duì)策
2013/10/30
1氫含量的影響
氫致延遲斷裂多發(fā)生在高強(qiáng)度鋼和α+β鈦合金中,當(dāng)其中含有適量的固溶狀態(tài)的氫時(shí),在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下經(jīng)過一定時(shí)間后會(huì)突然脆斷。斷裂壽命與所加應(yīng)力水平有關(guān),應(yīng)力越低斷裂壽命越長(zhǎng),當(dāng)應(yīng)力低于某一數(shù)值時(shí),試樣則不斷裂。試樣不斷裂的最大應(yīng)力或應(yīng)力因子稱為氫脆門檻值。試樣的含氫量不同、缺口形狀不同乃至試樣的組織不同均會(huì)影響曲線的形狀,試樣的含氫量越低,其氫脆門檻值就越高。應(yīng)力誘發(fā)氫致
2、延遲斷裂屬于低應(yīng)力脆斷,由于與氫的擴(kuò)散和聚集有關(guān),它無(wú)征兆且具有突發(fā)性。朱銘德等[10]在高強(qiáng)度鈦合金螺栓斷裂失效分析中認(rèn)為鈦合金在冶煉完成后氫含量應(yīng)該是較低的,但經(jīng)了解鋼廠在此批鈦棒材料校直退火時(shí),所用熱處理加熱爐中存在還原性氣氛而使鈦棒滲氫,入廠檢驗(yàn)時(shí)氫含量超標(biāo)達(dá)0.019%,后來(lái)雖經(jīng)真空退火除氫,但由于棒材的表面情況和在爐中堆放的位置,除氫處理后在此批棒材中還可能存在除氫結(jié)果的不均勻。此鈦合金基本組成相是α+β又屬高強(qiáng)度的鈦合金,氫在β相中的溶解度比在α相中的溶解度大,隨著時(shí)間的推移,氫向該螺紋應(yīng)力集中處擴(kuò)散并聚集,在低于屈服強(qiáng)度的低應(yīng)力作用下往往會(huì)在螺栓應(yīng)力集中處產(chǎn)生氫脆裂紋,并不斷地
3、擴(kuò)展,最終發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂,因此原始棒料氫含量過高是螺栓發(fā)生斷裂的原因,在棒材進(jìn)入制造工序之前應(yīng)注重氫含量的檢測(cè)。
2加工過程的影響
鈦合金高鎖螺栓主要制造工藝路線為:頭部鐓鍛—固溶時(shí)效處理—螺紋滾壓—機(jī)械加工—表面涂覆—性能試驗(yàn)。制造工藝過程十分復(fù)雜,過程中影響螺栓使用性能的因素較多。航空航天工業(yè)中使用的鈦合金緊固件,一般采用TC4、TC16等鈦合金線材,由于該鈦合金冷成性能差,不能進(jìn)行常溫鐓鍛成型頭部,鐓鍛采用熱鐓成型,熱鐓溫度的選擇與鐓鍛過程的變形對(duì)鈦合金內(nèi)部組織的變化有著重要影響[11]。研究表明[7]采用局部加熱鐓鍛成型頭部,當(dāng)加熱溫度過高時(shí),在螺栓縱截面內(nèi)引起金相組織變化,如
4、圖3所示,在局部加熱鐓鍛成型頭部的過程中,螺栓縱截面上的3個(gè)位置相比,位置1加熱溫度最高,組織內(nèi)部α相呈粗大棒狀形態(tài),位置2加熱溫度次之,內(nèi)部α相呈現(xiàn)針狀,位置3由于遠(yuǎn)離局部加熱區(qū)域,加熱溫度最低,內(nèi)部組織沒有發(fā)生改變,α相仍然保持為等軸狀,正是由于不恰當(dāng)?shù)木植考訜釡囟龋瑢?dǎo)致在螺栓桿部產(chǎn)生組織的改變,當(dāng)螺栓承受載荷時(shí),容易發(fā)生斷裂,并且斷裂位置位于頭部與桿部交接位置。北京航空材料研究院吳崇周[13]在熱鐓對(duì)TC16鈦合金組織和性能的影響的研究中發(fā)現(xiàn),在熱鐓頭產(chǎn)生劇烈變形的同時(shí),還會(huì)產(chǎn)生變形熱,變形熱會(huì)使鈦合金螺栓局部溫度有一定程度的升高。TC16合金的相變點(diǎn)為860℃,在650℃、700℃、7
5、50℃熱鐓時(shí),由于熱鐓溫度低于相變點(diǎn)較多,熱鐓時(shí)的局部溫升不能使合金溫度超過相變點(diǎn),組織中沒有出現(xiàn)超過相變點(diǎn)的β晶粒和晶界α;但在800℃、850℃熱鐓時(shí),由于熱鐓溫度接近于相變點(diǎn),熱鐓時(shí)的局部溫升就可以使合金溫度超過相變,發(fā)生了β轉(zhuǎn)變[14],以此估計(jì)變形熱使螺栓頭部的溫度升高約60℃。當(dāng)鐓制溫度比較高時(shí),熱鐓時(shí)的局部升溫使組織發(fā)生轉(zhuǎn)變,等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃組織,這是在熱鐓過程中應(yīng)該注意的問題。鐓制過程還應(yīng)注意頭部的變形程度,相關(guān)研究表明,工件有可能因變形量過大而導(dǎo)致內(nèi)部晶界開裂,這種開裂所形成的缺陷會(huì)在后續(xù)加工過程中進(jìn)一步擴(kuò)大,并逐漸與軸線方向一致,帶有這種缺陷的螺栓甚至在裝配過程中以沿晶斷
6、裂的方式發(fā)生軸向開裂。任翀等[15]報(bào)道了采用全面磨削技術(shù)、螺紋短收尾成型技術(shù)、自動(dòng)涂覆技術(shù)等已成功解決輕型高鎖螺栓國(guó)產(chǎn)化加工。
3熱處理過程的影響
在工程實(shí)踐中,緊固件產(chǎn)品都有強(qiáng)度級(jí)別或硬度要求,緊固件熱處理過程是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一,鈦合金高鎖緊固件在熱處理過程中容易產(chǎn)生熱處理變形、內(nèi)應(yīng)力、氧化與脫碳等問題。對(duì)于熱處理變形問題[16],工程實(shí)踐中存在認(rèn)識(shí)不足的問題,事實(shí)上,產(chǎn)品熱處理時(shí),由于受熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的作用,產(chǎn)生變形是絕對(duì)的,不同規(guī)格的鈦合金緊固件熱處理后變形量不同,一般來(lái)說,形狀復(fù)雜、細(xì)長(zhǎng)比大、孔徑大的零件變形較大,目前先進(jìn)的熱處理方法只能減小變形,不可能消除熱處理變形
7、。為減小變形可采取的措施有:(1)盡量將熱處理安排在毛坯(冷、熱鐓后)或留有余量的半成品狀態(tài)進(jìn)行;(2)由于細(xì)長(zhǎng)比過大的螺栓熱處理后容易產(chǎn)生彎曲變形,加工過程中應(yīng)留有足夠的余量。一般而言,鈦合金緊固件存在內(nèi)應(yīng)力是有百害而無(wú)一益的,內(nèi)應(yīng)力的存在不僅破壞高精度零件的尺寸精度的穩(wěn)定性,同時(shí)較大的內(nèi)應(yīng)力容易誘發(fā)氫脆,降低鈦合金緊固件的可靠性,縮短其疲勞壽命。因此消除內(nèi)應(yīng)力是應(yīng)重點(diǎn)注意的問題。鈦合金緊固件熱處理過程應(yīng)避免產(chǎn)生氧、氫、氮等污染,特別是氧的污染,在熱處理過程中,固溶加熱基本可以滿足高真空的要求,但冷卻過程是在含氧的水中進(jìn)行,因此存在氧的污染,此時(shí)污染層并不深,但在其后的時(shí)效過程中,污染層可能
8、繼續(xù)向內(nèi)發(fā)展。趙愛國(guó)等[17]在TC16鈦合金自鎖螺母裂紋故障分析中發(fā)現(xiàn),固溶處理中收口端內(nèi)外表面產(chǎn)生脆性氧污染層,造成該處塑性嚴(yán)重下降,固溶處理后的收口工序過程中,由于緊固件受到收口力的作用,導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生;同時(shí)提出嚴(yán)格控制固溶處理時(shí)的環(huán)境氣氛或合理調(diào)整制造工序可有效預(yù)防此類故障。
4頭部金屬流線的影響
工件頭部金屬流線沒有急劇的彎曲和折疊,保持連續(xù),可以有效消除應(yīng)力集中。如果存在折疊、斷層流線、較粗糙表面等,工件會(huì)因應(yīng)力集中而在這些部位產(chǎn)生疲勞裂紋,尤其是在頭部與桿部過渡處,若存在折疊現(xiàn)象,所鐓制的螺栓將成為不合格品。工程實(shí)踐證明,產(chǎn)生折疊的原因有:(1)預(yù)鐓時(shí)材料已經(jīng)向一側(cè)發(fā)生縱向彎曲
9、,預(yù)鐓變形已經(jīng)顯示出纖維向一個(gè)方向折疊,而這個(gè)折疊在隨后的精鐓時(shí)繼續(xù)受擠壓,形成折疊缺陷。(2)預(yù)鐓變形量過小,終鐓變形量過大大,在工件頭部形成纖維折疊。(3)預(yù)鐓時(shí)頭部發(fā)生輕微環(huán)狀屈曲,最后在工件頭部形成一個(gè)環(huán)狀。為避免頭部金屬流線對(duì)產(chǎn)品性能的影響,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)預(yù)鐓過程的控制,正確設(shè)計(jì)預(yù)鐓形狀。
5裝配過程及其他因素的影響
裝配過程中鈦合金螺栓光桿損傷也是誘發(fā)斷裂的重要因素之一,龐小超等[18]研究發(fā)現(xiàn)光桿損傷誘發(fā)斷裂的特征是斷口起源于螺栓光桿部分的磨損區(qū)域,且在螺栓源區(qū)側(cè)面(光桿部分的磨損區(qū)域)存在微裂紋,對(duì)同批次裝機(jī)的鈦合金螺栓光桿部位的痕跡進(jìn)行了檢查,均為磨損痕跡。其磨損特征與斷裂螺栓
10、的特征相似,均為螺栓光桿部分一側(cè)磨損,其斜對(duì)側(cè)也存在相應(yīng)的磨痕。結(jié)合連接結(jié)構(gòu)和裝配生產(chǎn)時(shí)的流程,螺栓與連接副不是垂直接觸,而是呈一定角度,這正與螺栓斷裂的源區(qū)位置相吻合。另外,由于螺栓與連接副并不是垂直接觸,而是呈一定的角度,使得螺栓實(shí)際承受的載荷加大,且連接副的孔邊沒有倒角,使得螺栓光桿部位與孔邊接觸位置的磨損加劇,破壞了鈦合金螺栓表面完整性,從而在磨損嚴(yán)重位置萌生疲勞裂紋。因此在加工制造中應(yīng)重視鈦合金螺栓的表面處理,加強(qiáng)潤(rùn)滑涂層[19]的質(zhì)量檢測(cè),增強(qiáng)涂層的耐磨性,實(shí)現(xiàn)螺栓反復(fù)拆卸。在裝配過程中,應(yīng)盡量避免在零件表面產(chǎn)生機(jī)械損傷[20,21],正確安裝螺栓與連接副,減少螺栓光桿部位與連接副
11、孔邊接觸位置的磨損,同時(shí)加強(qiáng)對(duì)螺栓光桿部位的磨損的檢測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)鈦合金螺栓表面完整性發(fā)生破壞,應(yīng)及時(shí)更換。
結(jié)語(yǔ)
(1)鈦合金高鎖螺栓在使用過程中受到剪切力、復(fù)合拉伸應(yīng)力的共同作用,疲勞條帶的存在是斷口最重要的特征,疲勞斷裂形式多數(shù)為疲勞損傷與應(yīng)力腐蝕。(2)在鈦合金高鎖緊固件生產(chǎn)制造過程中,應(yīng)加強(qiáng)原材料氫含量的檢驗(yàn)和鐓制過程、熱處理過程的工藝控制。調(diào)節(jié)合適的熱鐓成型溫度,保證內(nèi)部組織的穩(wěn)定性與一致性;合理分配預(yù)鐓與精鐓的變形程度,按金屬流動(dòng)原理盡可能使工件獲得并保持沒有急劇彎曲和折疊的連續(xù)的金屬流線;盡量減少熱處理的變形問題。(3)緊固件在裝配過程中,加強(qiáng)對(duì)螺栓光桿部位的磨損的檢測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)鈦合金螺栓表面完整性發(fā)生破壞,應(yīng)及時(shí)更換。
作者:唐毅劉戰(zhàn)培葛玲張建堂單位:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司三六三醫(yī)院瀘州醫(yī)學(xué)院學(xué)院辦公室
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